Giftige Symbiose – Kieler Studie zeigt: Mikrobe des Jahres verantwortlich für Pflanzengifte

„Viele Pflanzen benötigen zum Wachstum stickstoffhaltige Böden, die jedoch nicht in allen Regionen gegeben sind. Daher bilden einige Arten eine Symbiose mit bodenlebenden Bakterien, die es ihnen erlaubt, Stickstoff aus der Luft zu binden“, erklärt Professor Dietrich Ober vom Botanischen Institut der CAU. Im Gegenzug erhalten die Bakterien Nährstoffe der Pflanze.

Diese Symbiose ermöglicht Pflanzen, wie zum Beispiel Erbse oder Klee, auch auf stickstoffarmen Böden zu wachsen – und sie ersetzt bei Nutzpflanzen den Kunstdünger. Der Stickstoff wird in sogenannten „Wurzelknöllchen“ gebunden, einer organähnlichen, von Bakterien und Pflanze gemeinsam gebildeten, Symbiosestruktur an der Wurzel.

„Unsere Arbeitsgruppe erforscht die Evolution von Pyrrolizidin-Alkaloiden. Das sind Gifte, die einige Pflanzen zum Schutz vor Fraßfeinden produzieren“, sagt Ober. Ein Beispiel hierfür sei das in Deutschland berüchtigte Jakobs-Greiskraut, welches immer wieder in die Presse gelange, weil es zu Lebensmittelverunreinigungen bei Tees und Salaten führt.

Das Forschungsinteresse der Arbeitsgruppe liegt allerdings in anderen Regionen: „Besonders interessiert uns die im subtropischen und tropischen Raum vorkommende Pflanzengattung Crotalaria, die vor allem in Afrika heimisch ist“, sagt Obers Mitarbeiterin Dr. Elisabeth Kaltenegger. Und: „Diese Gattung, die über 600 verschiedene Arten umfasst, gehört zu eben jenen giftigen Pflanzen, die Stickstoff durch Symbiosen mit Bakterien gewinnen.“

Im Gewächshaus fiel den Kieler Forschenden allerdings auf, dass die von ihnen selbst aufgezogenen Crotalaria keine Pyrrolizidin-Alkaloide enthielten. In mehreren Versuchen, beispielsweise durch die Zugabe von künstlichem Stickstoff wurde klar, dass der Pflanze die richtigen Bakterien für die Produktion der Gifte fehlten.

Im weiteren Verlauf der Untersuchung „infizierten“ die Forscherinnen und Forscher die Pflanzen mit Rhizobien, die auch im Verbreitungsgebiet der Crotalaria vorkommen. Ober: „Der Vergleich von infizierten und nicht infizierten Exemplaren zeigte, dass nur die infizierten Pflanzen die Abwehrstoffe produzierten.“ Am Ende der Untersuchungen steht die Erkenntnis, dass die Pflanze das Gift zwar selbst produziert, dies jedoch nur in den von Bakterien bevölkerten Wurzelknöllchen tut.

Ober: „Gerade erst im vergangenen Monat wurden die Rhizobien wegen ihrer wachstumsfördernden Eigenschaften von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie zur Mikrobe des Jahres 2015 gekürt. Nun stellt sich heraus, dass der Einfluss des Bakteriums auf die Überlebensfähigkeit der Pflanze sogar noch viel größer ist, als bisher vermutet wurde.“

Bilder stehen zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Die zur Gattung der Schmetterlingsblütler gehörende Crotalaria kommt hauptsächlich im tropischen und subtropischen Bereich vor.
Foto: Dietrich Ober

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Bildunterschrift: Die Rhizobien (Bakterien) lagern sich in den gut erkennbaren „Wurzelknöllchen“ an.
Foto: Dietrich Ober

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Bildunterschrift: Dietrich Ober
Foto: pur.pur

Originalpublikation:
New aspect of plant–rhizobia interaction: Alkaloid biosynthesis in Crotalaria depends on nodulation. Simon Irmer, Nora Podzun, Dorothee Langel, Franziska Heidemann, Elisabeth Kaltenegger, Brigitte Schemmerling, Christoph-Martin Geilfus, Christian Zörb, and Dietrich Ober. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.1423457112

Kontakt:
Dr. Elisabeth Kaltenegger
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution
Tel.: 0431 / 880 – 4302
E-Mail: ekaltenegger@bot.uni-kiel.de

Professor Dr. Dietrich Ober
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution
Tel.: 0431 / 880 – 4299
E-Mail: dober@bot.uni-kiel.de
(Bis Ende März nur unregelmäßig per E-Mail erreichbar)